금속은 가공성이 우수하기 때문에 다양한 형태의 구조물이나 격막을 제작할 수 있다. 이런 금속 구조물이나 격막에 민감도가 월등히 우수한 실리콘 스트레인 게이지를 적용할 경우 그 응용 범위가 다양해질 수 있다. 이에 금속구조물에 다결정 실리콘 스트레인 게이지를 접착한 형태의 센서를 제안하였다. 실리콘 기판을 이용해 박막형 다결정 실리콘 스트레인 게이지를 제작하기 위한 제작공정을 확립하였으며, 제작된 실리콘 스트레인 게이지를 금속 변형부 위에 접착하기 위한 접착공정을 확립하였다. 이후 금속 외팔보에 실리콘 스트레인 게이지를 글래스 프릿 접착하여 성능평가를 실시하였다. 성능평가 결과 게이지팩터는 34.0 의 값을 가졌으며, TCR(Temperature Coefficient of Resistance)은 $-328\;ppm/^{\circ}C$의 값을 가졌다.
금속은 가공성이 우수하기 때문에 다양한 형태의 구조물이나 격막을 제작할 수 있다. 이런 금속 구조물이나 격막에 민감도가 월등히 우수한 실리콘 스트레인 게이지를 적용할 경우 그 응용 범위가 다양해질 수 있다. 이에 금속구조물에 다결정 실리콘 스트레인 게이지를 접착한 형태의 센서를 제안하였다. 실리콘 기판을 이용해 박막형 다결정 실리콘 스트레인 게이지를 제작하기 위한 제작공정을 확립하였으며, 제작된 실리콘 스트레인 게이지를 금속 변형부 위에 접착하기 위한 접착공정을 확립하였다. 이후 금속 외팔보에 실리콘 스트레인 게이지를 글래스 프릿 접착하여 성능평가를 실시하였다. 성능평가 결과 게이지팩터는 34.0 의 값을 가졌으며, TCR(Temperature Coefficient of Resistance)은 $-328\;ppm/^{\circ}C$의 값을 가졌다.
In this paper, we propose a sensor design by using a polysilicon strain gauge bonded to a metal diaphragm. The fabrication process of the thin polysilicon strain gauges having thicknesses of $50\;{\mu}m$ was established using conventional MEMS technologies; further, the technique of glass...
In this paper, we propose a sensor design by using a polysilicon strain gauge bonded to a metal diaphragm. The fabrication process of the thin polysilicon strain gauges having thicknesses of $50\;{\mu}m$ was established using conventional MEMS technologies; further, the technique of glass frit bonding of the polysilicon strain gauge to the stainless steel diaphragm was established. Performance of the polysilicon strain gauge bonded to the metal cantilever beam was evaluated. The gauge factor, temperature coefficient of resistance (TCR), nonlinearity, and hysteresis of the polysilicon strain gauge were measured. The results demonstrate that the resistance increases linearly with tensile stress, while it decreases with compressive stress. The value of the gauge factor, which represents the sensitivity of strain gauges, is 34.0; this value is about 7.15 times higher than the gauge factor of a metal-foil strain gauge. The resistance of the polysilicon strain gauge decreases linearly with an increase in the temperature, and TCR is $-328\;ppm/^{\circ}C$. Further, nonlinearity and hysteresis are 0.21 % FS and 0.17 % FS, respectively.
In this paper, we propose a sensor design by using a polysilicon strain gauge bonded to a metal diaphragm. The fabrication process of the thin polysilicon strain gauges having thicknesses of $50\;{\mu}m$ was established using conventional MEMS technologies; further, the technique of glass frit bonding of the polysilicon strain gauge to the stainless steel diaphragm was established. Performance of the polysilicon strain gauge bonded to the metal cantilever beam was evaluated. The gauge factor, temperature coefficient of resistance (TCR), nonlinearity, and hysteresis of the polysilicon strain gauge were measured. The results demonstrate that the resistance increases linearly with tensile stress, while it decreases with compressive stress. The value of the gauge factor, which represents the sensitivity of strain gauges, is 34.0; this value is about 7.15 times higher than the gauge factor of a metal-foil strain gauge. The resistance of the polysilicon strain gauge decreases linearly with an increase in the temperature, and TCR is $-328\;ppm/^{\circ}C$. Further, nonlinearity and hysteresis are 0.21 % FS and 0.17 % FS, respectively.
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문제 정의
이 연구에서는 금속 변형부에 실리콘 스트레인게이지가 접착된 형태의 센서를 제안하였다. 실리콘 기판을 이용해 박막 실리콘 스트레인 게이지를 제작하기 위한 제작공정을 확립하였으며, 제작된 실리콘 스트레인 게이지를 금속 변형부 위에 접착 하기 위한 접착공정을 확립하였다.
이런 금속 구조물이나 격막에 민감도가 월등히 우수한 실리콘 스트레인 게이지를 적용할 경우 그 응용 범위가 다양해질 수 있다. 이에 본 연구에서는 기계가공을 이용하여 다양한 형상과 크기를 가지는 금속 변형부를 제작한 후 그 위에 금속 박막 스트레인 게이지보다 민감도가 우수한 실리콘 스트레인 게이지를 접착한 형태의 센서를 제안하고자 한다. 이를 위해 실리콘 기판 위에 실리콘 스트레인 게이지를 집적하여 제작하기 위한 제작공정을 확립하였으며, 제작된 실리콘 스트레인게이지를 금속 변형부 위에 접착하기 위한 접착공정을 확립하였다.
제안 방법
반면에 다결정 실리콘은 단결정 실리콘에 비해 게이지 팩터는 낮지만 온도에 따른 저항 변화가 심하지 않다는 장점이 있다.(9) 따라서 온도변화에 따른 저항 변화가 작고, 100 ℃ 이상에서도 누설전류가 발생하지 않는 실리콘 스트레인 게이지를 제작하기 위해 SOI 방식다결정 실리콘 스트레인 게이지를 제작하였다.
금속 외팔보에 실리콘 스트레인 게이지를 접착한 후 성능 평가를 실시하였다. 성능 평가 결과 스트레인 게이지의 민감도를 나타내는 게이지 팩터는 기존 금속 박막 스트레인 게이지보다 7~15배 큰 34.
5 는 실리콘 스트레인 게이지 성능평가 장치의 개략도를 보여 주고 있다. 먼저 외팔보에 변형을 가한 후 적외선 위치 센서 (Z4M-W40, OMRON Co.)를 이용해 외팔보 끝단의 변형량을 측정 한다. 이후 외팔보의 처짐에 관한 식 (1)을 이용해 실리콘 스트레인 게이지의 변형량 εx 를 계산할 수 있다.
이 연구에서는 금속 변형부에 실리콘 스트레인게이지가 접착된 형태의 센서를 제안하였다. 실리콘 기판을 이용해 박막 실리콘 스트레인 게이지를 제작하기 위한 제작공정을 확립하였으며, 제작된 실리콘 스트레인 게이지를 금속 변형부 위에 접착 하기 위한 접착공정을 확립하였다. 이 후 금속 외팔보에 실리콘 스트레인 게이지를 글래스 프릿 접착하여 성능평가를 실시하였다.
3(b)). 실리콘 스트레인 게이지에서 브리지와 연결된 가운데 부분은 게이지를 떼어낼 때 힘을 가할 부분이기 때문에 큰 면적을 가지도록 설계하였다. 제작된 실리콘 스트레인 게이지의 두께는 Fig.
이때 외팔 보의 길이는 200 mm, 두께는 3 mm 이었다. 실리콘 스트레인 게이지의 성능을 평가하기 위해 감도, 비선형성, 히스테리시스, TCR 을 측정하였다. 스트레인 게이지의 감도는 변형량에 따른 저항 변화를 나타내며, 일반적으로 식 (2)의 게이지 팩터를 계산함으로써 평가할 수 있다.
실험 결과 실리콘 스트레인 게이지의 변형량에 따라 저항이 선형적으로 변하는 것을 알 수 있었으며, 실리콘 스트레인 게이지에 인장응력이 작용을 하면 저항이 증가하고, 압축응력이 작용하면 저항이 감소 하는 것을 알 수 있었다. 온도에 따른 저항 변화를 측정하기 위해 실리콘 스트레인 게이지 주변에 항온 챔버를 설치한 후 온도를 25 ˚C 에서 120 ˚C 까지 변화시키면서 실리콘 스트레인 게이지의 변형량에 따른 저항 변화를 측정하였다. 그 결과 온도가 변하여도 변형량에 따라 실리콘 스트레인 게이지의 저항이 선형적으로 변하는 특성은 바뀌지 않았다.
이 논문에서는 일반 스테인리스강에 비해 항복 점이 높고 피로한도가 높으며, 열팽창계수가 작은 SUS630 스테인리스강을 이용해 금속 외팔보를 제작하였다. 글래스 프릿을 이용한 접착 방법은 다음과 같다.
이를 위해 실리콘 기판 위에 실리콘 스트레인 게이지를 집적하여 제작하기 위한 제작공정을 확립하였으며, 제작된 실리콘 스트레인게이지를 금속 변형부 위에 접착하기 위한 접착공정을 확립하였다. 이후 금속 외팔보에 실리콘 스트레인 게이지를 글래스 프릿 접착하여 성능평가를 실시하였다.
이에 본 연구에서는 기계가공을 이용하여 다양한 형상과 크기를 가지는 금속 변형부를 제작한 후 그 위에 금속 박막 스트레인 게이지보다 민감도가 우수한 실리콘 스트레인 게이지를 접착한 형태의 센서를 제안하고자 한다. 이를 위해 실리콘 기판 위에 실리콘 스트레인 게이지를 집적하여 제작하기 위한 제작공정을 확립하였으며, 제작된 실리콘 스트레인게이지를 금속 변형부 위에 접착하기 위한 접착공정을 확립하였다. 이후 금속 외팔보에 실리콘 스트레인 게이지를 글래스 프릿 접착하여 성능평가를 실시하였다.
이를 해결하기 위해 약 50 µm 두께의 박막 실리콘 스트레인 게이지를 제작한 후 글래스 프릿 접착하였다.
이를 해결하기 위해 약 50 µm 두께의 박막 형태로 실리콘 스트레인 게이지를 가공한 후 글래스 프릿 접착하였다.
이를 위해 실리콘 기판 위에 실리콘 스트레인 게이지를 집적하여 제작하기 위한 제작공정을 확립하였으며, 제작된 실리콘 스트레인게이지를 금속 변형부 위에 접착하기 위한 접착공정을 확립하였다. 이후 금속 외팔보에 실리콘 스트레인 게이지를 글래스 프릿 접착하여 성능평가를 실시하였다.
대상 데이터
실리콘 스트레인 게이지를 약 50 µm 두께의 박막 형태로 제작한 후 글래스 프릿을 이용하여 금속 변형부에 접착하였다.
성능/효과
온도에 따른 저항 변화를 측정하기 위해 실리콘 스트레인 게이지 주변에 항온 챔버를 설치한 후 온도를 25 ˚C 에서 120 ˚C 까지 변화시키면서 실리콘 스트레인 게이지의 변형량에 따른 저항 변화를 측정하였다. 그 결과 온도가 변하여도 변형량에 따라 실리콘 스트레인 게이지의 저항이 선형적으로 변하는 특성은 바뀌지 않았다. Fig.
금속 외팔보에 실리콘 스트레인 게이지를 접착한 후 성능 평가를 실시하였다. 성능 평가 결과 스트레인 게이지의 민감도를 나타내는 게이지 팩터는 기존 금속 박막 스트레인 게이지보다 7~15배 큰 34.0 의 값을 가졌으며, 온도에 따른 영향을 나타내는 TCR 은 -328 ppm/˚C 의 값을 가졌다. 일반적으로 온도에 따른 저항 변화는 4 개의 스트레인 게이지를 가지고 휘스톤 브리지 회로를 구성함으로써 상쇄시킬 수 있다.
이때 저항 값은 각 온도에서 변형이 가해지지 않았을 때의 저항 값으로 정규화되었다. 실험 결과 실리콘 스트레인 게이지의 변형량에 따라 저항이 선형적으로 변하는 것을 알 수 있었으며, 실리콘 스트레인 게이지에 인장응력이 작용을 하면 저항이 증가하고, 압축응력이 작용하면 저항이 감소 하는 것을 알 수 있었다. 온도에 따른 저항 변화를 측정하기 위해 실리콘 스트레인 게이지 주변에 항온 챔버를 설치한 후 온도를 25 ˚C 에서 120 ˚C 까지 변화시키면서 실리콘 스트레인 게이지의 변형량에 따른 저항 변화를 측정하였다.
후속연구
즉 불순물 농도가 높으면 열전자 방출에 의한 영향이 감소하지만 불순물 농도가 작으면 열전자 방출에 의한 효과가 크게 나타난다.(16) 향후 이에 대한 연구가 이루어져야 할 것으로 생각된다.
향후 실리콘 스트레인 게이지의 성능을 향상시키기 위해 불순물의 주입 농도에 따른 민감도 및 TCR, 다결정 실리콘 증착 조건 및 annealing 조건에 따른 성능 변화 등의 최적화 연구를 수행하여야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
센서의 일반적인 정의는?
센서는 일반적으로 관측대상의 정보를 물리적, 화학적, 생물학적 효과를 이용해 전기적 신호로 변환하는 소자로 정의된다. 센서는 생산공정 자동화, 환경검사, 의료, 자동차, 우주항공, 군수 등은 물론이고 우리 일상생활에 이르는 폭넓은 곳에서 사용되고 있다.
금속구조물에 다결정 실리콘 스트레인 게이지를 접착한 형태의 센서를 제안한 배경은?
금속은 가공성이 우수하기 때문에 다양한 형태의 구조물이나 격막을 제작할 수 있다. 이런 금속 구조물이나 격막에 민감도가 월등히 우수한 실리콘 스트레인 게이지를 적용할 경우 그 응용 범위가 다양해질 수 있다. 이에 금속구조물에 다결정 실리콘 스트레인 게이지를 접착한 형태의 센서를 제안하였다.
센서는 어디에 사용되는가?
센서는 일반적으로 관측대상의 정보를 물리적, 화학적, 생물학적 효과를 이용해 전기적 신호로 변환하는 소자로 정의된다. 센서는 생산공정 자동화, 환경검사, 의료, 자동차, 우주항공, 군수 등은 물론이고 우리 일상생활에 이르는 폭넓은 곳에서 사용되고 있다.
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